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Dispositivo hardware libre para medir niveles
freáticos y altura hidrométrica
Emiliano López1, Carlos Vionnet1,2 y Guillermo Contini1
1 Universidad Nacional del Litoral, Santa Fe. elopez@fich.unl.edu.ar
2 Consejo Nacional de Investigaciones Cient́ıficas y Técnicas, Santa Fe.
Resumen Contar con registros continuos de variables hidrológicas y
a una buena resolución espacial es de gran interés tanto en el ámbito
cient́ıfico como agronómico. El elevado costo del equipamiento comercial
atenta contra esta necesidad. Las plataformas de hardware libre surgen
como una alternativa atractiva para el desarrollo de dispositivos flexibles
y de bajo costo. En el presente trabajo se describe el diseño y desarrollo
de un dispositivo datalogger hardware libre utilizado para mediciones
automáticas de niveles freáticos y alturas hidrométricas, para pruebas
realizadas en laboratorio y en campo con resultados alentadores.
Keywords: Monitorización · Arduino · Agricultura de precisión.
1. Introducción
La medición de las variables que intervienen en el ciclo hidrológico es de gran
importancia tanto en el ámbito cient́ıfico como agronómico. El conocimiento de
su dinámica, como el nivel freático por ejemplo, puede mejorar la predicción a
corto o mediano plazo y por tanto ayudar a la toma de decisiones en el agro.
El registro automático de estas variables suele realizarse mediante equipamiento
comercial poco flexible y costoso, lo que dificulta contar series continuas a una
buena resolución espacial.
El surgimiento de las plataformas electrónicas de hardware libre han poten-
ciado el desarrollo de dispositivos de todo tipo con relativa facilidad y a un costo
ostensiblemente inferior que las alternativas comerciales [1] [2]. La flexibilidad
y posibilidad de acceso a sus especificaciones técnicas sin afrontar el pago de li-
cencias la convierten en una opción atractiva para el desarrollo de equipamiento
de medición de las variables del ciclo hidrológico [3] [4] [5].
El Centro de Estudios HidroAmbientales tiene interés en el registro de va-
riables como la humedad del suelo, precipitación, nivel freático, altura de ŕıos y
arroyos, entre otras, razón por la que ha iniciado el desarrollo de dispositivos pa-
ra su medición automática. El presente trabajo muestra los avances alcanzados
en el diseño y desarrollo tanto del dispositivo hardware libre de almacenamiento
-de aqúı en adelante datalogger - como de la medición del nivel freático y la altura
de ŕıos o arroyos.
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El proyecto se han publicado bajo licencias libres CC BY-SA 4.0 para los
archivos de diseño y GPLv3 para el software/firmware en la plataforma Open
Science Framework3.
2. Materiales y métodos
El datalogger fue diseñado de forma independiente de las variables por me-
dir, además ha sido optimizado para reducir su consumo eléctrico al mı́nimo
(0.35vmA). Los componentes principales son un módulo reloj de tiempo real
DS3231, un módulo de almacenamiento en memorias micro SD Catalex y un
microcontrolador Arduino Pro Mini, en versiones de 3.3 y 5 volts.
El circuito de interconexión entre módulos y otros componentes electrónicos
se montaron sobre una protoboard permanente en un primer prototipo, luego en
una placa de circuito impreso (PCB) para la segunda versión mejorada (Fig. 1).
El diseño mantiene el conexionado de pines compatibles con la placa mas po-
pular, Arduino UNO, manteniendo compatibilidad para su expansión mediante
los denominados shields y por ende la posibilidad de incorporar funcionalidades
extras al datalogger (3G, WiFi, bluetooth, etc.).
Figura 1. Datalogger, sobre protoboard (izq.) y montado en PCB (der.).
La gran mayoŕıa de equipos que miden altura hidrométrica lo hacen utili-
zando sensores de presión sumergidos, registrando la presión de la columna de
agua por encima del sensor. Otras mediciones son realizadas en forma manual,
visualizando una escala hidrométrica instalada, tal es el caso de Prefectura Naval
Argentina (PNA) y otras entidades como clubes náuticos. Las desventajas para
el caso del sensor sumergido están vinculadas a la protección de la electrónica
del agua, a la corrosión del material y por ende a su mantenimiento permanente.
En el proceso manual, el esfuerzo y costo necesarios para tomar los registros.
La metodoloǵıa propuesta consiste en una medición indirecta, mediante dis-
tanciómetros de diversas tecnoloǵıas: infrarrojos, láser y acústicos. En todos los
3 URL del Proyecto: https://osf.io/tzqje/
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casos el principio de funcionamiento es similar, se calcula el tiempo de vuelo
entre la emisión de un pulso y su recepción luego de rebotar en el obstáculo. De
esta manera, un brazo colocado a una distancia fija, apuntando perpendicular-
mente a la superficie del ŕıo, nos dará una menor distancia en las crecientes y
una lectura mayor en caso contrario (Fig. 2).
Para la medición del nivel freático se han llevado a cabo dos enfoques, idéntica
a la mencionada con anterioridad para altura hidrométrica y utilizando sensores
de presión sumergidos. Para el primer caso, se diseñaron con una impresora 3D
los complementos necesarios para acoplarlos al extremo superior del tubo de la
perforación, cuidando que la visión del sensor sea colineal al tubo. Para el caso
del sensor de presión, se utilizó uno diferencial ya que es necesario compensar la
presión atmosférica. Para todos los casos se utilizaron sensores digitales4 cuya
comunicación con el datalogger es mediante protocolos I2C, SPI y Serie.
Figura 2. Distanciómetros acústicos: altura hidrométrica (izq.) y nivel freático (der.).
3. Resultados
EL datalogger ha sido confiable y se lo ha mejorado en cada prototipos,
el consumo se ha reducido de 90 a 0.35 mA, alcanzando una autonomı́a de
casi un año utilizando 4 pilas AA. Para la altura hidrométrica se realizaron
primeramente pruebas en laboratorio y luego se instaló el dispositivo en un club
náutico de la ciudad de Santa Fe, donde se registra la fluctuación del Ŕıo Paraná
desde hace mas de un año con una frecuencia de muestreo de 5 minutos, siendo
contrastada con las mediciones de PNA con excelentes resultados (Fig.3).
Para el análisis del nivel freático las pruebas se encuentran en fase de labora-
torio, en esta instancia han descartado los distanciómetros debido a la dificultad
para lograr una correcta alineación y por las interferencias producidas por la
4 Sensores analizados: HCSR4, MaxBotix HRXL, LIDAR-Lite, Sharp GP2Y0A710K,
Honeywell HSR
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condensación del agua dentro del tubo lo que produce lecturas erróneas en estos
sensores, aun aśı se ha logrado registrar correctamente hasta los 3 primeros me-
tros de profundidad. Los resultados preliminares del sensor de presión diferencial
han sido alentadores y una vez finalizado el encapsulado se instalará en campo
para su correcta prueba y calibración.
Figura 3. Altura hidrométrica contrastada con PNA.
4. Conclusiones
El datalogger desarrollado ha mostrado flexibilidad para registrar diferentes
tipos de variables hidrológicas con un ı́nfimo consumo energético y a un costo os-
tensiblemente inferior al de las alternativas comerciales. Los resultados obtenidos
para la altura hidrométrica dan cuenta de la bondad de este tipo de tecnoloǵıas
quedando demostrada su robusteza y estabilidad funcionando por mas de un
año sin intervención humana. Los sensores utilizados para la mediciones han
mostrado una buena correlación en contraste con mediciones manuales.
Referencias
1. Fisher, D. K. (2012): Open-Source Hardware Is a Low-Cost Alternative for Scientific
Instrumentation and Research. Modern Instrumentation, 1(2), 8–20
2. Netto, G. T., Arigony-neto, J (2019): Open-source Automatic Weather Stationand
electronic Ablation Station for measuring the impacts of climate change on glaciers.
HardwareX, e00053.
3. Ali, A. S., Zanzinger, Z., Debose, D., Stephens, B.(2016). Open Source Building
Science Sensors (OSBSS): A low-cost Arduino-based platform for long-term indoor
environmental data collection. Building and Environment, 100, 114–126.
4. Wickert, A. (2014). The ALog: Inexpensive, Open-Source, Automated Data Collec-
tion in the Field. Bulletin of the Ecological Society of America, 95(2), 166–176.
https://doi.org/10.1890/0012-9623-95.2.68
5. Fisher, D. K., Kebede, H. (2010). A low-cost microcontroller-based system to moni-
tor crop temperature and water status. Computers and Electronics in Agriculture,
74(1), 168–173. https://doi.org/10.1016/j.compag.2010.07.006
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